CN108706788A - 重力整流式离子交换法污水处理末端除氮设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种重力整流式离子交换法污水处理末端除氮设备及方法，其设备包括池体，由从下至上通水的进水区、反应区和出水区构成，并通过下滤网隔板和上滤网隔板分区；进水区具有进水口，用于接入污水；反应区中设有水流整流装置及离子交换树脂层，前者设于下滤网隔板上方，用于将进水整流成层流态水流，后者由若干离子交换树脂颗粒构成，用于进行离子交换除氮；污水经除氮处理之后在出水区的顶部出水。本发明为污水处理的高效低耗末端除氮方案，可显著降低出水中总氮含量；采用重力式离子交换法，使高效的离子交换法可适用于不同规模除氮需求；采用水流整流装置提高离子交换树脂层的利用率，避免运行或再生过程中因离子交换树脂乱层而影响离子交换反应的效果。

Description

重力整流式离子交换法污水处理末端除氮设备及方法

技术领域

本发明涉及城镇污水处理领域，具体涉及一种重力整流式离子交换法污水处理末端除氮设备及方法。

背景技术

城镇生活污水处理工程，在国家经济飞速发展、人民生活水平不断提高的现状下，国家领导反复强调优化生态环境，强化污染防治多项指示，国家和地方也建立了水污染防治严格的督察机制，并已常态化。

城镇生活污水处理后排放水水质指标按现行国家标准（GB18918-2012），基本控制项目最高允许排放浓度（日平均）为：COD 50mg/L、BOD5 10mg/L、SS 10mg/L、TN 15mg/L、NH3-N 5（8）mg/L、TP 0.5mg/L、PH值6~9等。

现有处理工艺中以生化处理为主，其方法有：氧化沟法、SBR法、CASS法、活性污泥法等，因工艺过程有局限性或有操作频繁等问题，要全面达标有一定难度，其中TP、TN指标有超标风险，即便加用物化法除磷后，也仅能在一定程度上降低TP超标的风险。

近20~30年来，国内引进了国外的A-A-O法同步脱氮除磷工艺，在部分工程实施后与上述处理工艺相比有所改善，但T P达标还要靠物化法除磷，而TN指标中主要成份是NO₃ ^-，若厌氧生化反硝化效果不理想时，靠一般物化法是除不掉的，所以还是有TN升高的因素存在，尤其在有少量工业污水突然进入引起冲击负荷时，或是在冬季突发爆冷影响生化处理池内微生物的正常功能时。另外，随着国家对生态环境越来越重视，排放标准再提标的可能性也存在。

离子交换法在水处理领域应用广泛，如锅炉用水软化处理、工业用水除盐处理、纯水制备、工业废水除重金属等方面处理效果很好。但是，固定床顺流运行逆流再生离子交换法若在城镇污水处理末端用于脱氮有以下问题：

1．压力容器限用于微小型污水处理，在大中型污水处理过程中难以应用；

2．固定床逆流再生法存在交换树脂层引发乱层的因素：

2-1．再生剂（NaCl）溶液比重与Cl^-型强碱性阴离子交换树脂相当，再生剂用泵压送入设备上升水流对交换树脂有向上的推力作用；

2-2．再生液上升水流雷诺数Re大大超过临界雷诺数Rek2000~2300，处于紊流状态；

3．再生过程包括：小反洗—放水—顶压—再生—反洗—正洗共六步，操作较麻烦；

4．设备内存放离子交换树脂的空间有效利用率仅70%左右。

因此，如何解决上述现有技术存在的不足，便成为本发明所要研究解决的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种重力整流式离子交换法污水处理末端除氮设备及方法。

为达到上述目的，本发明于设备层面采用的技术方案是：

一种重力整流式离子交换法污水处理末端除氮设备，包括至少一个污水处理单元，所述污水处理单元包括一池体，该池体由从下至上互通水流的进水区、反应区和出水区构成；其中，

所述进水区及所述反应区之间设有一下滤网隔板，所述反应区及所述出水区之间设有一上滤网隔板，所述上滤网隔板以及所述下滤网隔板上均设有数个通水孔；

所述进水区具有一进水口，该进水口用于接入待处理的污水；

所述反应区中设有水流整流装置以及离子交换树脂层；所述水流整流装置设于所述下滤网隔板的上方，用于将进水整流成层流态水流；所述离子交换树脂层由若干离子交换树脂颗粒构成，各离子交换树脂颗粒的粒径大于所述通水孔的孔径；

污水经除氮处理之后经由所述出水区的顶部出水。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1．上述方案中，所述水流整流装置通过控制下部进水，可使雷诺数Re大大小于临界雷诺数Rek，而保证随水流上升的离子交换树脂层不乱层。

2．上述方案中，所述上滤网隔板及所述下滤网隔板均包括两网格板，两所述网格板一上一下设置，两网格板的中间夹设一层孔径小于所述离子交换树脂颗粒的高强度纤维网（如尼龙网等）或不锈钢网。

所述网格板可以是塑料材质或玻璃钢材质，网格板上的网格直径可大于离子交换树脂颗粒的粒径。预制时，可多块矩形水平拼接组装或直接用面积与池体横截面相同的整块进行安装。

3．上述方案中，所述水流整流装置的高度占所述反应区高度的20~95%。水流整流装置中设有若干紧密排列的整流孔，各所述整流孔的横截面形状为蜂窝形或矩形。

所述水流整流装置可采用塑料材质，其高度与整流孔的孔径可按设计要求灵活调整，并使其固定在下滤网隔板之上。

4．上述方案中，各所述整流孔的壁厚为0.3~1.5mm，优选0.5~1mm，以满足水流整流装置的强度需要；各整流孔的内切直径为30~100mm，优选40~60mm，内切直径越小，雷诺数Re越小，整流效果越好。

5．上述方案中，所述离子交换树脂颗粒为Cl^-型强碱性阴离子交换树脂颗粒；所述离子交换树脂颗粒的湿视密度为0.65~0.75g/mL，优选0.67~0.73g/mL，粒径为0.3~1mm，优选0.4~0.7mm。

6．上述方案中，所述离子交换树脂层的体积占所述反应区体积的90~95%。主要布置于所述水流整流装置的各整流孔中，以及水流整流装置的上方至所述上滤网隔板下方的空间中；由于离子交换树脂层在再生处理的清洗步骤中会发生膨胀，因此不能设置为占据反应区的全部空间。

7．上述方案中，还包括污水进水阀及第一流量计，两者均设于一进水管上，该进水管连通所述进水口。

8．上述方案中，所述池体的横截面呈矩形；且当所述水处理单元为多个时，各所述水处理单元沿水平方向并列设置。矩形的设计利于通过钢筋混泥土进行构筑成形，且有助于进行水平拼接组合，日处理污水量可达万吨级，适用于城镇等生活污水处理量较大的地区。

本文中提到的横截面均指的是水平方向的截面。

9．上述方案中，所述进水区的底部沿水平方向开设有至少一条倒梯形槽道；所述进水管包括一第一进水管以及至少一根第二进水管，各所述第二进水管均与所述第一进水管连通；所述第一进水管与所述进水口连通设置，用以将待处理的污水引入所述进水区；各所述第二进水管水平设置于各所述倒梯形槽道的底部，两者一一对应；

其中，各所述第二进水管的管体上沿其长度方向间隔开设有数个透水孔，且各所述透水孔呈45度斜向下设置，构成各所述透水孔的出水水流冲击所述倒梯形槽道的侧壁，得以产生水流反射，有利于产生均布水流。

10．上述方案中，所述第一进水管的设置位置高于各所述第二进水管的设置位置；各所述第二进水管平行间隔布置，所述第一进水管与各所述第二进水管的连接处位于所述进水区水平方向的中心位置。

借此设计，通过第一进水管将污水均匀导入至各第二进水管中，污水朝向各第二进水管的两端流动，并均匀流出各所述透水孔，可以使进水区的水流均匀流动，配合反应区中的水流整流装置有助于进一步降低水流雷诺数Re。

11．上述方案中，还包括出水管路系统，所述出水管路系统包括多根出水穿孔管、多根出水支管、一出水阀以及一出水总管；各所述出水穿孔管与各所述出水支管一一对应连通，各所述出水支管均与所述出水总管连通，所述出水阀连设于所述出水总管上。污水经除氮处理之后从出水区进入各出水穿孔管中，并通过各所述出水支管汇流至出水总管流出。

12．上述方案中，各所述出水穿孔管沿水平方向平行并间隔设置，以使出水更均匀，对反应区的上升水流也产生有益的影响，避免上升水流紊乱。

13．上述方案中，各所述出水穿孔管上均沿其长度方向间隔开设有数个入水孔，各所述入水孔的孔口呈45度斜向上设置，以进一步使出水更均匀。

14．上述方案中，还包括用于进行离子再生、离子置换和清洗的管路系统，所述管路系统包括多根进液穿孔管、多根进液支管、一进液阀以及一进液总管；各所述进液穿孔管与各所述进液支管一一对应连通，各所述进液支管均与所述进液总管连通，所述进液阀连设于所述进液总管上；还包括一排液管，所述排液管通过一排液阀与所述进水区的进水口连通，并且该排液管上还连设有第二流量计。

15．上述方案中，各所述进液穿孔管沿水平方向平行并间隔设置，可使再生液或清洗水更为均匀地流入所述出水区。

16．上述方案中，各所述进液穿孔管上均沿其长度方向间隔开设有数个出液孔，各所述出液孔的孔口呈45度斜向下设置。

为达到上述目的，本发明于方法层面采用的技术方案是：

一种重力整流式离子交换法污水处理末端除氮方法，通过权利要求1所述的设备实现，所述方法包括以下步骤：

步骤一、预处理

首先，通过好氧生化处理将污水中的氮化合物氧化、硝化为硝酸盐（NO₃ ^-类）；

其次，向水中投入絮凝剂，经混凝沉淀与过滤处理后出水水质清晰；

步骤二、除氮处理

首先，所述设备的反应区中离子交换树脂层选用Cl^-型强碱性阴离子交换树脂颗粒构成；

其次，将预处理后的含NO₃ ^-的污水从所述设备的进水区送入设备中，并由下向上运行，流入所述反应区中进行除氮的离子交换反应，该反应的化学式如下：

R^Cl-+NaNO₃→R^NO3-+NaCl

其中，R ^Cl-表示Cl^-型强碱性阴离子交换树脂，R^NO3-表示反应后的Cl^-被NO₃ ^-交换了的离子交换树脂；

然后，除氮后的水经由所述设备的出水区通过出水管路流出，当检测到出水中的总氮值达到预设值时停止污水流入设备，完成污水的一个除氮处理周期；

步骤三、再生处理

首先，选用NaCl作为再生剂，用水配制成浓度为6~10%的再生液；

其次，将所述再生液通过进液管路由上至下流入所述反应区中，对离子交换树脂层进行离子交换反应，该反应的化学式如下：

R^NO3-+NaCl→R^Cl-+NaNO₃；

再生处理完成后，重复步骤二，进入下一个除氮处理周期。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1．上述方案中，好氧生化处理为现有技术，是指在微生物的参与下，在适宜碳氮磷比和鼓风曝气等条件下，将有机污染物降解而无机化的生化过程。

2．上述方案中，步骤一中，除絮凝剂之外，还需投入除磷剂，使出水中的总磷（TP）值达到小于0.5mg/L为佳， TP越小越好，否则原本与NO₃ ^-发生离子交换的Cl^-将与PO₄ ^3-发生离子交换，影响运行时除氮效果和除氮效率；

还可加入助凝剂，以便于将污水中经絮凝剂絮凝的小颗粒悬浮物进一步絮凝为大颗粒的悬浮物，便于提升水质的清晰度。

3．上述方案中，步骤二中，出水中总氮的预设值为小于或等于15mg/L。该预设值为国标，可通过增加污水处理单元或缩短再生处理周期的方式进一步降低出水中的总氮含量，以应对未来国标的提升。

4．上述方案中，步骤二中，在完成污水的一个除氮处理周期后，此时所述离子交换树脂层包括下部的饱和区、中部的工作区以及上部的保护区；所述饱和区中的R^Cl-均已被交换为R^NO3-，所述工作区中的R^Cl-处于交换过程中，所述保护区中的R^Cl-仅部分被交换为R^NO3-。

借此设计，可通过保护区对离子交换树脂层进行保护，避免其被污水“击穿”而丧失除氮作用，即，若保护区也成为工作区甚至保护区，则出水中的总氮很难保证不超标，此时离子交换树脂层的离子交换作用已失效。

5．上述方案中，步骤三中，所述再生液的浓度优选8~10%。若低于8%，过少的Cl-会对再生处理的效率带来影响，若高于10%，则会导致离子交换树脂颗粒过度收缩，会对再生处理的效果带来影响。

6．上述方案中，步骤二中，

先关闭设备的排液阀及进液阀，再打开设备的污水进水阀及出水阀，含NO^3-的污水通过第一流量计计量后，从第一进水管通过进水口进入设备的进水区，水流经进水的第二进水管均布流出后继续向上流动；

水流向上通过下滤网隔板流入反应区中，在离子交换树脂层的下部通过水流整流装置进行整流，使水流雷诺数Re大大小于临界Rek，整流后的水流成为层流态水流，同时离子交换树脂层也被水流推升至其顶部位于上滤网隔板下方；水流经离子交换反应后，进入设备的出水区；

水流上升至出水区上部时，通过出水管路出水，水流通过入水孔进入出水穿孔管中，经出水支管汇流后进入出水总管出水；当出水中总氮值（TN）达到预期指标时，完成了一个除氮处理周期；关污水进水阀及出水阀停止进水，开排液阀使水位下降至上滤网隔板处，关闭排液阀，同时离子交换树脂层随向下水流回落到运行前状态。

7．上述方案中，步骤三中，所述再生处理包括再生、置换和清洗三步；

再生时，先开进液阀将配制好的NaCl再生液通过进液管路均匀送入所述出水区，再生液通过进液总管分流至进液支管，再流入进液穿孔管，通过进液穿孔管上的多个出液孔均匀流入出水区，此时出水区作为再生液储备区；在送入一次再生处理所需的再生液后，以所述再生液的浓度为10%为例，此时再生液的体积为离子交换树脂层体积的一半（再生液的体积与再生液的浓度成反比），此时最高液位在进液穿孔管底处，开排液阀，由第二流量计控量，再生液以慢速小流量（即低于除氮处理时水流的流速和流量）等压均匀向下流入反应区的离子交换树脂层，使液位降至上滤网隔板处，关排液阀；

置换时，开进液阀，将洁净水（可选用自来水）通过进液管路均匀送入储备区，即，洁净水通过进液总管分流至进液支管，再流入进液穿孔管，通过进液穿孔管上的多个出液孔均匀流入出水区，直至水位到达设定上限；然后打开排液阀，按与再生液相同的慢速小流量，由第二流量计控量，逆流向下进行置换，直至水位降至上滤网隔板；置换可以理解为再生的第二环节，通常置换液的体积与再生液相同。

清洗时，开大排液阀，用大流量快速向下清洗离子交换树脂层，直至设定的清洗流量或/和清洗时间时，关排液阀、进液阀，此时再生处理步骤结束，可重复步骤二。

本发明的工作原理及优点如下：

1．提出一个高效低耗末端除氮方法，有助于降低城镇生活污水处理总氮超标的风险；

2．采用重力式离子交换法，使高效的离子交换法可以应用于不同规模污水处理除氮的需求；

3．采用水流整流装置和提高离子交换树脂层的利用率，使运行或再生过程中不会发生离子交换树脂层的乱层而影响离子交换反应效果的问题；

4．采用上流运行、逆流再生法，与固定床逆流再生法相比，处理效果更稳定、再生剂用量更省；

5．采用多台、按等时分段启动，可以人为掌控处理总出水的总氮，机动灵活，使出水稳定达标，若国家排放标准再提标，具有良好的应对能力；

6．大、中规模污水处理可采用钢筋混凝构筑物，采用多池组合并联运行，轮流再生；

7．操作管理简便，易于实现自动化运行。

附图说明

附图1为本发明实施例的结构示意图（为图3的B-B向剖面结构示意图）；

附图2为图1的A-A向剖面结构示意图；

附图3为图1的俯视图；

附图4为图3的C-C向剖面结构示意图；

附图5为本发明实施例管路系统的结构示意图；

附图6为本发明实施例出水穿孔管的剖面示意图；

附图7为本发明实施例进液穿孔管的剖面示意图；

附图8为本发明实施例第二进水管的剖面示意图；

附图9为本发明实施例网格板的结构示意图。

以上附图中：1．进水区；2．反应区；3．出水区；4．下滤网隔板；5．上滤网隔板；6．进水口；7．倒梯形槽道；8．第一进水管；9．第二进水管；10．透水孔；11．水流整流装置；12．污水进水阀；13．第一流量计；14．离子交换树脂层；15．整流孔；16．出水穿孔管；17．出水支管；18．出水阀；19．出水总管；20．入水孔；21．进液穿孔管；22．进液支管；23．进液阀；24．进液总管；25．排液管；26．排液阀；27．第二流量计；28．出液孔；29．网格板；30．网格。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：参见附图1~9所示，一种重力整流式离子交换法污水处理末端除氮设备，包括至少一个污水处理单元，所述污水处理单元包括一池体，该池体由从下至上互通水流的进水区1、反应区2和出水区3构成；所述池体的横截面呈矩形，当所述水处理单元为多个时，各所述水处理单元沿水平方向并列设置。矩形的设计利于通过钢筋混泥土进行构筑成形，且有助于进行水平拼接组合，日处理污水量可达万吨级，适用于城镇等生活污水处理量较大的地区。

其中，所述进水区1及所述反应区2之间设有一下滤网隔板4，所述反应区2及所述出水区3之间设有一上滤网隔板5，所述上滤网隔板5以及所述下滤网隔板4上均设有数个通水孔。

所述进水区1具有一进水口6，该进水口6用于接入待处理的污水；所述进水区1的底部沿水平方向开设有至少一条倒梯形槽道7；还包括一第一进水管8以及至少一根第二进水管9，各所述第二进水管9均与所述第一进水管8连通；所述第一进水管8与所述进水口6连通设置，用以将待处理的污水引入所述进水区1；各所述第二进水管9水平设置于各所述倒梯形槽道7的底部，两者一一对应；各所述第二进水管9的管体上沿其长度方向间隔开设有数个透水孔10，且各所述透水孔10呈45度斜向下设置（见图8），构成各所述透水孔10的出水水流冲击所述倒梯形槽道7的侧壁，得以产生水流反射，有利于产生均布水流。

所述第一进水管8的设置位置高于各所述第二进水管9的设置位置；各所述第二进水管9平行间隔布置，所述第一进水管8与各所述第二进水管9的连接处位于所述进水区1水平方向的中心位置。借此设计，通过第一进水管8将污水均匀导入至各第二进水管9中，污水朝向各第二进水管9的两端流动，并均匀流出各所述透水孔10，可以使进水区1的水流均匀流动，配合反应区中的水流整流装置11有助于进一步降低水流雷诺数Re。

还包括污水进水阀12及第一流量计13，两者均设于第一进水管8上。

所述反应区2中设有水流整流装置11以及离子交换树脂层14；所述水流整流装置11设于所述下滤网隔板4的上方，用于将进水整流成层流态水流，通过控制下部进水，可使雷诺数Re大大小于临界雷诺数Rek，而保证随水流上升的离子交换树脂不乱层。所述离子交换树脂层14由若干离子交换树脂颗粒构成，各离子交换树脂颗粒的粒径大于所述通水孔的孔径。

所述水流整流装置11的高度占所述反应区2高度的20~95%。水流整流装置11中设有若干紧密排列的整流孔15，各所述整流孔15的横截面形状为蜂窝形或矩形。各所述整流孔15的壁厚为0.3~1.5mm，优选0.5~1mm，以满足水流整流装置的强度需要；各整流孔15的内切直径为30~100mm，优选40~60mm，内切直径越小，水流雷诺数Re越小，整流效果越好。

所述水流整流装置11可采用塑料材质，其高度与整流孔15的孔径可按设计要求灵活调整，并使其固定在下滤网隔板4之上。

其中，所述离子交换树脂颗粒为Cl^-型强碱性阴离子交换树脂颗粒；所述离子交换树脂颗粒的湿视密度为0.65~0.75g/mL，优选0.67~0.73g/mL，粒径为0.3~1mm，优选0.4~0.7mm。

所述离子交换树脂层14的体积占所述反应区2体积的90~95%。主要布置于所述水流整流装置11的各整流孔15中，以及水流整流装置11的上方至所述上滤网隔板5下方的空间中；由于离子交换树脂层在再生处理的清洗步骤中会发生膨胀，因此不能设置为占据反应区2的全部空间。

其中，还包括出水管路系统，所述出水管路系统包括多根出水穿孔管16、多根出水支管17、一出水阀18以及一出水总管19；各所述出水穿孔管16与各所述出水支管17一一对应连通，各所述出水支管17均与所述出水总管19连通，所述出水阀18连设于所述出水总管19上。污水经除氮处理之后从出水区3进入各出水穿孔管16中，并通过各所述出水支管17汇流至出水总管19流出。

各所述出水穿孔管16沿水平方向平行并间隔设置，以使出水更均匀，对反应区2的上升水流也产生有益的影响，避免上升水流紊乱。各所述出水穿孔管16上均沿其长度方向间隔开设有数个入水孔20，各所述入水孔20的孔口呈45度斜向上设置（见图6），以进一步使出水更均匀。

其中，还包括用于进行离子再生、离子置换和清洗的管路系统，所述管路系统包括多根进液穿孔管21、多根进液支管22、一进液阀23以及一进液总管24；各所述进液穿孔管21与各所述进液支管22一一对应连通，各所述进液支管22均与所述进液总管24连通，所述进液阀23连设于所述进液总管24上；还包括一排液管25，所述排液管25通过一排液阀26与所述进水区1的进水口6连通，并且该排液管25上还连设有第二流量计27。

各所述进液穿孔管21沿水平方向平行并间隔设置，可使再生液或清洗水更为均匀地流入所述出水区3。各所述进液穿孔管21上均沿其长度方向间隔开设有数个出液孔28（见图7），各所述出液孔28的孔口呈45度斜向下设置。

其中，所述上滤网隔板5及所述下滤网隔板4均包括两网格板29，两所述网格板29一上一下设置，两网格板29的中间夹设一层孔径小于所述离子交换树脂颗粒的高强度纤维网（如尼龙网等）或不锈钢网。

如图9所示，所述网格板29可以是塑料材质（或玻璃钢材质），网格板29上的网格30直径可大于离子交换树脂颗粒的粒径。预制时，可多块矩形水平拼接组装或直接用面积与池体横截面相同的整块进行安装。

本发明的除氮方法包括以下步骤：

步骤一、预处理

首先，通过好氧生化处理将污水中的氮化合物氧化、硝化为硝酸盐（NO₃ ^-类）；

其次，向水中投入絮凝剂，经混凝沉淀与过滤处理后出水水质清晰；

步骤二、除氮处理

首先，所述设备的反应区2中离子交换树脂层14选用Cl^-型强碱性阴离子交换树脂颗粒构成；

其次，将预处理后的含NO₃ ^-的污水从所述设备的进水区1送入设备中，并由下向上运行，流入所述反应区2中进行除氮的离子交换反应，该反应的化学式如下：

R^Cl-+NaNO₃→R^NO3-+NaCl

其中，R ^Cl-表示Cl^-型强碱性阴离子交换树脂，R^NO3-表示反应后的Cl^-被NO₃ ^-交换了的离子交换树脂；

然后，除氮后的水经由所述设备的出水区3通过出水管路流出，当检测到出水中的总氮值（TN）达到预设值时停止污水流入设备，完成污水的一个除氮处理周期；

步骤三、再生处理

首先，选用NaCl作为再生剂，用水配制成浓度为6~10%的再生液；

其次，将所述再生液通过进液管路由上至下流入所述反应区2中，对离子交换树脂层14进行离子交换反应，该反应的化学式如下：

R^NO3-+NaCl→R^Cl-+NaNO₃；

再生处理完成后，重复步骤二，进入下一个除氮处理周期。

其中，好氧生化处理为现有技术，是指在微生物的参与下，在适宜碳氮比、含水率和氧气等条件下，将有机物降解、转化成腐殖质样物质的生化过程。

其中，步骤一中，除絮凝剂之外，还需投入除磷剂，使出水中的总磷（TP）值达到小于0.5mg/L为佳， TP越小越好，否则原本与NO₃ ^-发生离子交换的Cl^-将与PO₄ ^3-发生离子交换，影响运行时除氮效果和除氮效率；

还可加入助凝剂，以便于将污水中经絮凝剂絮凝的小颗粒悬浮物进一步絮凝为大颗粒的悬浮物，便于提升水质的清晰度。

步骤二中，出水中总氮的预设值为小于或等于15mg/L。该预设值为国标，可通过增加污水处理单元或缩短再生处理周期的方式进一步降低出水中的总氮含量，以应对未来国标的提升。

步骤二中，在完成污水的一个除氮处理周期后，此时所述离子交换树脂层14包括下部的饱和区、中部的工作区以及上部的保护区；所述饱和区中的R^Cl-均已被交换为R^NO3-，所述工作区中的R^Cl-处于交换过程中，所述保护区中的R^Cl-仅部分被交换为R^NO3-。

借此设计，可通过保护区对离子交换树脂层进行保护，避免其被污水“击穿”而丧失除氮作用，即，若保护区也成为工作区甚至保护区，则出水中的总氮很难保证不超标，此时离子交换树脂层的离子交换作用已失效。

步骤三中，所述再生液的浓度优选8~10%。若低于8%，过少的Cl-会对再生处理的效率带来影响，若高于10%，则会导致离子交换树脂颗粒过度收缩，会对再生处理的效果带来影响。

其中，步骤二中，先关闭设备的排液阀26及进液阀23，再打开设备的污水进水阀12及出水阀18，含NO^3-的污水通过第一流量计13计量后，从第一进水管8通过进水口6进入设备的进水区1，水流经进水的第二进水管9均布流出后继续向上流动；

水流向上通过下滤网隔板4流入反应区2中，在离子交换树脂层14的下部通过水流整流装置11进行整流，使水流雷诺数Re大大小于临界Rek，整流后的水流成为层流态水流，同时离子交换树脂层14也被水流推升至其顶部位于上滤网隔板5下方；水流经离子交换反应后，进入设备的出水区3；

水流上升至出水区3上部时，通过出水管路出水，水流通过入水孔20进入出水穿孔管16中，经出水支管17汇流后进入出水总管19出水；当出水中总氮值（TN）达到预期指标时，完成了一个除氮处理周期；关污水进水阀12及出水阀18停止进水，开排液阀26使水位下降至上滤网隔板5处，关闭排液阀26，同时离子交换树脂层14随向下水流回落到运行前状态。

其中，步骤三中，所述再生处理包括再生、置换和清洗三步；

再生时，先开进液阀23将配制好的NaCl再生液通过进液管路均匀送入所述出水区3，再生液通过进液总管24分流至进液支管22，再流入进液穿孔管21，通过进液穿孔管21上的多个出液孔28均匀流入出水区3，此时出水区3作为再生液储备区；在送入一次再生处理所需的再生液后，以所述再生液的浓度为10%为例，此时再生液的体积为离子交换树脂层体积的一半（再生液的体积与再生液的浓度成反比），此时最高液位在进液穿孔管21底处，开排液阀26，由第二流量计27控量，再生液以慢速小流量（即低于除氮处理时水流的流速和流量）等压均匀向下流入反应区2的离子交换树脂层14，使液位降至上滤网隔板5处，关排液阀26；

置换时，开进液阀23，将洁净水（可选用自来水）通过进液管路均匀送入储备区，即，洁净水通过进液总管24分流至进液支管22，再流入进液穿孔管21，通过进液穿孔管21上的多个出液孔28均匀流入出水区3，直至水位到达设定上限；然后打开排液阀26，按与再生液相同的慢速小流量，由第二流量计27控量，逆流向下进行置换，直至水位降至上滤网隔板5；置换可以理解为再生的第二环节，通常置换液的体积与再生液相同。

清洗时，开大排液阀26，用大流量快速向下清洗离子交换树脂层14，直至设定的清洗流量或/和清洗时间时，关排液阀26、进液阀23，此时再生处理步骤结束，可重复步骤二。

其中，再生处理时产生的废液经由所述进水口6并通过排液管25排出。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种重力整流式离子交换法污水处理末端除氮设备，其特征在于：

包括至少一个污水处理单元，所述污水处理单元包括一池体，该池体由从下至上互通水流的进水区、反应区和出水区构成；其中，

所述进水区及所述反应区之间设有一下滤网隔板，所述反应区及所述出水区之间设有一上滤网隔板，所述上滤网隔板以及所述下滤网隔板上均设有数个通水孔；

所述进水区具有一进水口，该进水口用于接入待处理的污水；

所述反应区中设有水流整流装置以及离子交换树脂层；所述水流整流装置设于所述下滤网隔板的上方，用于将进水整流成层流态水流；所述离子交换树脂层由若干离子交换树脂颗粒构成，各离子交换树脂颗粒的粒径大于所述通水孔的孔径；

污水经除氮处理之后经由所述出水区的顶部出水。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述水流整流装置的高度占所述反应区高度的20~95%，水流整流装置中设有若干紧密排列的整流孔，各所述整流孔的横截面形状为蜂窝形或矩形；所述离子交换树脂层的体积占所述反应区体积的90~95%；所述离子交换树脂颗粒为Cl^-型强碱性阴离子交换树脂颗粒。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述池体的横截面呈矩形；且当所述水处理单元为多个时，各所述水处理单元沿水平方向并列设置；各所述池体还包括污水进水阀及第一流量计，两者均设于一进水管上，该进水管连通所述进水口。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述进水区的底部沿水平方向开设有至少一条倒梯形槽道；所述进水管包括一第一进水管以及至少一根第二进水管，各所述第二进水管均与所述第一进水管连通；所述第一进水管与所述进水口连通设置，用以将待处理的污水引入所述进水区；各所述第二进水管水平设置于各所述倒梯形槽道的底部，两者一一对应；

其中，各所述第二进水管的管体上沿其长度方向间隔开设有数个透水孔，且各所述透水孔呈斜向下设置，构成各所述透水孔的出水水流冲击所述倒梯形槽道的侧壁；所述第一进水管的设置位置高于各所述第二进水管的设置位置；各所述第二进水管平行间隔布置，所述第一进水管与各所述第二进水管的连接处位于所述进水区水平方向的中心位置。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：还包括出水管路系统，所述出水管路系统包括多根出水穿孔管、多根出水支管、一出水阀以及一出水总管；各所述出水穿孔管与各所述出水支管一一对应连通，各所述出水支管均与所述出水总管连通，所述出水阀连设于所述出水总管上；各所述出水穿孔管沿水平方向平行并间隔设置；各所述出水穿孔管上均沿其长度方向间隔开设有数个入水孔，各所述入水孔的孔口呈斜向上设置。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：还包括用于进行离子再生、离子置换和清洗的管路系统，所述管路系统包括多根进液穿孔管、多根进液支管、一进液阀以及一进液总管；各所述进液穿孔管与各所述进液支管一一对应连通，各所述进液支管均与所述进液总管连通，所述进液阀连设于所述进液总管上；还包括一排液管，所述排液管通过一排液阀与所述进水区的进水口连通，并且该排液管上还连设有第二流量计；各所述进液穿孔管沿水平方向平行并间隔设置；各所述进液穿孔管上均沿其长度方向间隔开设有数个出液孔，各所述出液孔的孔口呈斜向下设置。

7.一种重力整流式离子交换法污水处理末端除氮方法，其特征在于：通过权利要求1所述的设备实现，所述方法包括以下步骤：

步骤一、预处理

首先，通过好氧生化处理将污水中的氮化合物氧化、硝化为硝酸盐（NO₃ ^-类）；

其次，向水中投入絮凝剂，经混凝沉淀与过滤处理后出水水质清晰；

步骤二、除氮处理

首先，所述设备的反应区中离子交换树脂层选用Cl^-型强碱性阴离子交换树脂颗粒构成；

其次，将预处理后的含NO₃ ^-的污水从所述设备的进水区送入设备中，并由下向上运行，流入所述反应区中进行除氮的离子交换反应，该反应的化学式如下：

R^Cl-+NaNO₃→R^NO3-+NaCl

其中，R ^Cl-表示Cl^-型强碱性阴离子交换树脂，R^NO3-表示反应后的Cl^-被NO₃ ^-交换了的离子交换树脂；

然后，除氮后的水经由所述设备的出水区通过出水管路流出，当检测到出水中的总氮值达到预设值时停止污水流入设备，完成污水的一个除氮处理周期；

步骤三、再生处理

首先，选用NaCl作为再生剂，用水配制成浓度为6~10%的再生液；

其次，将所述再生液通过进液管路由上至下流入所述反应区中，对离子交换树脂层进行离子交换反应，该反应的化学式如下：

R^NO3-+NaCl→R^Cl-+NaNO₃；

再生处理完成后，重复步骤二，进入下一个除氮处理周期。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤二中，在完成污水的一个除氮处理周期后，此时所述离子交换树脂层包括下部的饱和区、中部的工作区以及上部的保护区；所述饱和区中的R^Cl-均已被交换为R^NO3-，所述工作区中的R^Cl-处于交换过程中，所述保护区中的R^Cl-仅部分被交换为R^NO3-。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤二中，

先关闭设备的排液阀及进液阀，再打开设备的污水进水阀及出水阀，含NO^3-的污水通过进水口进入设备的进水区，水流经进水的穿孔管均布流出后继续向上流动；

水流向上通过下滤网隔板流入反应区中，在离子交换树脂层的下部通过水流整流装置进行整流，整流后的水流成为层流态水流，同时离子交换树脂层也被水流推升至其顶部位于上滤网隔板下方；水流经离子交换反应后，进入设备的出水区；

水流上升至出水区上部时，通过出水管路出水；当出水中总氮值达到预期指标时，完成了一个除氮处理周期；关污水进水阀及出水阀停止进水，开排液阀使水位下降至上滤网隔板处，关闭排液阀，同时离子交换树脂层随向下水流回落到运行前状态。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤三中，所述再生处理包括再生、置换和清洗三步；

再生时，先开进液阀将配制好的NaCl再生液通过进液管路均匀送入所述出水区，此时出水区作为再生液储备区；在送入一次再生处理所需的再生液后，开排液阀，再生液以慢速小流量等压均匀向下流入反应区的离子交换树脂层，使液位降至上滤网隔板处；

置换时，关排液阀、开进液阀，将洁净水通过进液管路均匀送入储备区，直至水位到达设定上限；然后打开排液阀，按与再生液相同的慢速小流量逆流向下进行置换，直至水位降至上滤网隔板；

清洗时，开大排液阀，用大流量快速向下清洗离子交换树脂层，直至设定的清洗流量或/和清洗时间时，关排液阀、进液阀，此时再生处理步骤结束，可重复步骤二。